建筑钢材的性能

第13章建筑钢材的性能13.1建筑结构钢的品种和规格13.2建筑钢材的力学性能13.3钢结构选材要求13.4钢材及其连接的强度取值化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/3313.1建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的种类碳素结构钢•低碳钢：碳含量0.25%•中碳钢：碳含量0.25%~0.6%•高碳钢：碳含量0.6%~1.4%13.1.1建筑结构钢的种类和牌号建筑结构用钢多采用低碳钢高强度螺栓采用中碳钢建筑结构钢不采用高碳钢化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/34低合金高强度结构钢•锰系合金钢•硅锰系合金钢•硅钒系合金钢•硅钛系合金钢化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/35钢材牌号碳素结构钢•牌号：Q195、Q215、Q235、Q255,Q275•等级：A、B、C、D四级低合金高强度结构钢•牌号：Q295——12Mn、09MnVQ345——16Mn、12MnVQ390——15MnV、15MnTiQ420，Q460•等级：A、B、C、D、E五级化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/36铸造碳钢•ZG200-400•ZG230-450•ZG270-500•ZG310-570螺栓用钢•碳钢或合金钢制造•抗拉强度（t/cm2）.屈强比普通螺栓：4.6级、4.8级、5.6级、8.8级高强度螺栓：8.8级、10.9级铸钢代号ZG、屈服点强度fy-抗拉强度fu化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/3713.1.2钢材品种和规格热轧钢板规格•厚钢板：厚度4.5~60mm•薄钢板：厚度0.35~4mm•扁钢：厚度4~60mm，宽度30~200mm表示方法•符号“—”后加“厚宽长”或“长宽厚”•例如：—128002100—12004008化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/38热轧型钢工字钢•普通工字钢以截面高度的cm数编号（20号以上分a、b、c）：I30a，I30b，I30c•轻型工字钢（腹翼均较薄）H型钢•宽翼缘：HK（B=H）•窄翼缘：HZ（B=0.33H~0.5H）化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/39角钢•等边角钢：以边宽和厚度表示•不等边角钢：以长边宽、短边宽和厚度表示如：Ⅼ1008Ⅼ100808槽钢•普通槽钢，轻型槽钢•以高度的cm数表示，⊏30a钢管•无缝钢管+焊接钢管•外径厚度如：2006化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/310冷加工薄壁钢板冷弯薄壁型钢•Q235或Q345薄钢板经模压或弯曲而成•厚度1.5~5mm彩色钢板•防锈涂层彩色压型钢板•夹芯彩色钢板化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/311活动板房化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/31213.2建筑钢材的力学性能单向拉伸力学性能抗拉强度•屈服强度fy•强度极限fu•屈强比fy/fu13.2.1钢材的静态力学性能化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/313塑性•伸长率（延伸率）%100001lll%100010AAA•断面收缩率物理性质指标•材料模量：弹性模量E、剪变模量G•材料性能：质量密度线膨胀系数附表32化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/314复杂应力下的屈服条件采用理论：第四强度理论屈服条件•三向应力状态)(3)()()(212zx2yz2xy2xz2zy2yxeqyf•二向应力状态2xyyx2y2xeq3yf一般受弯梁y223f纯剪应力y3f化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/315一、冷弯性能冷弯性能的概念•钢材在冷加工产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力冷弯试验•试验机上按照规定的弯心直径d，通过冷冲头加压•试件弯曲至180°13.2.2冷弯性能和冲击韧性化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/316冷弯试验结果•放大镜检查•若表面不出现裂纹和分层=合格•若表面出现裂纹或分层=不合格•它是鉴定钢材塑性应变能力和质量的综合指标化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/317冲击韧性冲击韧性指标•夏比V型缺口，冲击功Akv•与温度有关化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/318常温塑性性能好低温脆变性：钢材很明显冲击韧性指标的要求Q235钢：20C、0C、-20C，Akv27JQ345、Q390钢：20C，Akv34J0C，Akv34J-20C，Akv34J-40C，Akv27J钢材质量等级划分的依据化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/319一、可焊接性可焊性的概念•在一定工艺条件下，钢材经受住焊接时产生的高温热循环作用•焊缝金属和邻近焊缝区钢材不产生裂纹，焊接后焊缝的主要力学性能不低于母材的力学性能可焊性的含义•钢材本身具有可焊接的条件•接头强度、刚度与母材相等或相近13.2.3钢材的可焊性和其他性能化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/320二、钢材的其他性能耐腐蚀性•一般钢材耐腐蚀性差，需喷涂或电镀保护•耐候钢，耐大气腐蚀能力强耐火性•耐火性能差（耐火极限30min以内）•需要包裹或喷涂防护Z向性能•厚钢板（t40mm）金属夹杂引起分层，厚度方向即Z向受拉性能大大降低。•为避免Z向受力时出现撕裂，厚度方向的收缩率不能太小=Z向性能。断面收缩率15%化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/32113.2.4影响钢材性能的主要因素化学成分主要元素•铁Fe：钢的基本元素，纯铁软、强度低•碳C：形成钢材强度的主要成分结构钢碳含量不宜过高：低碳钢有益元素•锰Mn，硅Si：脱氧剂，合金元素•钒V，铌Ni，钛Ti：合金元素•铝，铬，镍：铝强脱氧剂，铬、镍合金元素化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/322有害元素•磷P：强度、硬度、耐磨性，塑性、韧性和可焊性•硫S：热脆，可焊、耐疲劳、韧性、抗磨•氧O：韧性、可焊性•氮N：使钢冷脆，也可作为合金元素存在各种化学成分的含量要求见：表13-2碳素结构钢化学成分表13-3低合金高强度结构钢的牌号化学成分化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/323冶金工艺工艺过程•炼钢•浇注•轧制炼钢炉炉种•平炉钢：工艺成熟、质量好，成本较高•转炉钢：氧气转炉钢周期短，成本低，质量不亚于平炉钢，广泛采用•电炉钢：成本高，不作为建材使用化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/324浇注与脱氧方式•浇注熔炼后的钢水出炉后，先放在盛钢液的罐内，再注入钢锭模，冷却形成钢锭•脱氧方式浇注成锭过程中，因钢液中残留氧会使钢材晶粒粗细不均匀而容易发生热脆，故必须加入脱氧剂以消除氧沸腾钢F镇静钢Z半镇静钢b特殊镇静钢TzZ、Tz可以省略。化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/325Q235A、B级可以是F、b或ZQ235C级只能是ZQ235D级只能是TzQ345A、B级只有ZQ345C、D、E级只有Tz质量等级和脱氧方式化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/326钢材轧制•轧制过程：高温下，轧钢机将钢锭轧制成钢坯再通过不同形状和尺寸的轧钢机最后形成型材或板材•轧制影响晶粒变得细小致密气泡、裂纹等缺陷焊合轧制的薄型材、薄钢板强度较高、塑性韧性较好薄材性能优于厚材性能钢材性能参数需要根据厚度分组详见表13-5和表13-6化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/327冶金缺陷•缺陷类型（1）偏析：化学成分不一致、不均匀（2）非金属夹杂：含硫化物、氧化物（3）气孔：浇注钢锭时由Fe和C生成的CO气体不能充分逸出而形成（4）裂纹：冷脆、热脆和不均匀收缩形成（5）分层：浇注时的非金属夹杂物轧制后形成钢材的分层•对钢材性能影响：负面影响化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/328钢材硬化时效硬化（老化）应变硬化时效应变硬化温度影响影响曲线•强度曲线•刚度曲线•塑性曲线化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/329高温强度失效案例韧性与温度的关系•低温冷脆•脆性转变温度区T1T2•T0转变温度化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/330应力集中静力荷载下常温构件不考虑动力荷载下或负温下工作的构件，问题突出。应有减小应力集中措施反复荷载作用疲劳破坏•低应力破坏•脆性破坏疲劳裂纹钢结构中控制应力幅！化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/33113.3钢结构选材要求钢结构对材料的要求较高的抗拉强度fu和屈服点fy•fy高可使自重，造价•fu高可增加结构的安全保障13.3.1钢结构对材料的要求化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/332较高的塑性和韧性•不至于发生脆性破坏•调整局部应力•抗重复荷载作用良好的工艺性能•冷加工、热加工性能•可焊性其他——适应环境的能力•高、低温•腐蚀介质化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/333选材考虑因素结构的重要性荷载情况（静、动）连接方法温度和环境钢材厚度化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/334承重结构钢材保证内容•抗拉强度、屈服点、延伸率•硫、磷的极限含量冷弯合格保证•焊接承重结构的钢材•重要的非焊接承重结构的钢材13.3.2钢材的选择化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/335冲击韧性合格保证•需要验算疲劳的以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证•当结构工作温度0C但-20C时，Q235钢和Q345钢应具有0C冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-20C冲击韧性的合格保证化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/336•当结构工作温度-20C，Q235钢和Q345钢应具有-20C冲击韧性的合格保证；对Q390钢和Q420钢应具有-40C冲击韧性的合格保证选材建议参考表13-4化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/337强度取值方法标准值•平均值基础上减小•冶金出厂标准：不低于95%保证率•取值见表13-5和表13-6强度设计值强度标准值除以材料抗力分项系数13.4钢材及其连接的强度取值化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/338结构钢材强度设计值抗拉、抗压、抗弯强度设计值屈服强度标准值除以抗力分项系数Q235钢1.087，Q345、Q390和Q420钢1.111端面承压强度设计值极限强度除以抗力分项系数系数Q235、Q345钢1.15，Q390、Q420钢1.175抗剪强度设计值取抗拉（压）强度的0.58倍按5N/mm2修约RyffuRuceffff58.0v化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件—李章政2020/6/339钢铸件强度设计值抗拉、抗压、抗弯强度设计值计算结果修约到5MPay78.0ff端面承压强度设计值uce65.0ff抗剪强度设计值ff58.0v化学工业出版社《建筑结构设计原理》第二版课件